Farb­stoff­solar­zellen: Mit Me­tal­len zur ge­wünsch­ten Kon­fi­gu­ra­tion

Wissenschaftler konnten die räum­liche Anord­nung von Bipyridin-Mole­külen (grau) auf einer Ober­fläche aus Nickel- und Sauer­stoff­atomen (gelb/rot) ver­ändern. Durch Drehung entsteht aus der trans-Konfi­gura­tion (vorne rechts) die cis-Konfi­gura­tion (vorne links; Bild: U. Basel)

Farbstoff­solar­zellen sind als Alter­na­tive zu her­kömm­­lichen Solar­zellen im Gespräch, auch wenn ihre Energie­aus­beute noch nicht zufrieden­stellend ist. Der Wirkungs­grad ließe sich mit der Ver­wen­dung als Tandem-Solar­zellen erhöhen, bei denen die Farb­stoff­solar­zellen über­ein­ander gestapelt werden. Wie der Farb­stoff, der das Sonnen­licht ein­fängt, auf dem Halb­leiter­material ver­ankert wird, spielt für die Effek­ti­vität dieser Solar­zellen eine ent­schei­dende Rolle. Jedoch ist die Ver­anke­rung der Farb­stoffe auf Nickel­oxid­ober­flächen, die sich für Tandem-Farb­stoff­zelle besonders gut eignen, noch nicht aus­reichend ver­standen. Wissen­schaftler der Uni Basel haben jetzt in Zusammen­arbeit mit dem Swiss Nano­science Institute einen Weg gefunden, die räum­liche Anord­nung von Bipyridin-Mole­külen auf einer Ober­fläche zu ändern. Bipyridin­kristalle könnten bei Farb­stoff­solar­zellen als Anker­molekül auf einer Halb­leiter­ober­fläche dienen. An diese Anker binden dann Metall­komplexe, an denen wiederum unter­schied­liche Farb­stoffe binden können.

Bei der Untersuchung mithilfe von Raster­sonden­mikro­skopen hat sich heraus­ge­stellt, dass die Bipyridin­mole­küle zunächst flach in ihrer trans-Konfi­gura­tion auf der Ober­fläche binden. Durch Zugabe von Eisen­atomen und einer Tempe­ratur­erhöhung kommt es dann im Bipyridin-Molekül zu einer Drehung um ein Kohlen­stoff­atom und somit zur Bildung der cis-Konfi­gura­tion. „Die chemische Zusammen­setzung der cis- und trans-Konfi­gura­tion sind gleich, ihre räum­liche Anord­nung aber sehr unter­schied­lich. Die Ver­ände­rung der Konfi­gura­tion lässt sich daher anhand der raster­sonden­mikro­sk­opischen Messungen ein­deutig unter­scheiden“, erläutert Ernst Meyer von der Uni Basel.

Die Veränderung der räum­lichen Anord­nung ent­steht durch Bildung eines Metall­komplexes, wie die Wissen­schaftler auch durch die Unter­suchung des Bipyridins auf einer Gold­ober­fläche bestätigen konnten. Bei der Her­stel­lung der Farb­stoff­solar­zellen finden diese Reak­tionen in Lösung statt. Die Unter­suchung ein­zelner Mole­küle und ihr Ver­halten können aller­dings nur mit Raster­sonden­mikro­skopen im Vakuum erfolgen. „Wir haben mit diesen Unter­suchung erst­mals beob­achten können, wie Mole­küle, die fest an eine Ober­fläche gebunden sind, ihre Konfi­gura­tion ändern“, fasst Meyer die Arbeit zusammen. „Das erlaubt uns besser zu ver­stehen, wie sich Anker­molekül auf Nickel­oxid­ober­flächen ver­halten.“ (Quelle: U. Basel / pro-physik.de)

Referenz: S. Freund et al.: Transoid-to-Cisoid Conformation Changes of Single Molecules on Surfaces Triggered by Metal Coordination, ACS Omega 3, 12851 (2018); DOI: 10.1021/acsomega.8b01792

Link:Nanolino Lab (E. Meyer), Dept. Physik, Universität Basel, Schweiz

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